JP2003193206A - 固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼および固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】接触電気抵抗が低い固体高分子型燃料電池のセ
パレータ用ステンレス鋼、およびそのステンレス鋼から
なるセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の提供。 【解決手段】ステンレス鋼10の表面に、導電性を有する
Ｍ_２３Ｃ_６型、Ｍ_４Ｃ型、Ｍ_２Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金
属介在物15およびＭ_２Ｂ型硼化物系金属介在物13のうち
の１種以上が分散、露出しており、表面粗さが中心線平
均粗さＲａで０．０６μm以上、５μm以下である固体高
分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼、およびそ
のセパレータを備えた固体高分子型燃料電池。上記のＭ
_２３Ｃ _６型、Ｍ_２Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物およ
びＭ_２Ｂ型硼化物系金属介在物中の金属元素（Ｍ）は、
クロム、モリブデン、タングステンの１種以上を含んで
いることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、接触電気抵抗が
低い固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス
鋼、およびそのステンレス鋼からなるセパレータを備え
た固体高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】ステンレス鋼は、その表面に不働態皮膜
が形成されているため耐食性に優れている。しかし、表
面の不働態皮膜は電気抵抗が大きいため、小さい接触電
気抵抗が要求される通電用として使用される電気部品に
は適していない。不働態皮膜の厚さが厚くなれば耐食性
はより優れたものとなるが、電気抵抗はより大きくなる
傾向にある。

【０００３】ステンレス鋼の接触電気抵抗を小さくする
ことができれば、ステンレス鋼を耐食性が要求される通
電電気部品として使用することが可能となる。優れた耐
食性と小さい接触電気抵抗が要求される通電電気部品の
一つに固体高分子型燃料電池のセパレータ（バイポーラ
プレートと呼ぶこともある）がある。

【０００４】燃料電池は、水素および酸素を利用して直
流電力を発電する電池であり、固体電解質型燃料電池、
溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池および固体高
分子型燃料電池などがある。燃料電池の名称は、電池の
根幹をなす『電解質』部分の構成材料に由来している。

【０００５】現在、商用段階に達している燃料電池に
は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池がある。
燃料電池のおおよその運転温度は、固体電解質型燃料電
池で１０００℃、溶融炭酸塩型燃料電池で６５０℃、リ
ン酸型燃料電池で２００℃および固体高分子型燃料電池
で８０℃である。

【０００６】固体高分子型燃料電池は、運転温度が８０
℃前後と低く起動−停止が容易であり、エネルギー効率
も４０％程度が期待できることから、小規模事業所、電
話局などの非常用分散電源、都市ガスを燃料とする家庭
用小型分散電源、水素ガス、メタノールあるいはガソリ
ンを燃料とする低公害電気自動車搭載用電源として、世
界的に実用化が期待されている。

【０００７】上記の各種の燃料電池は、『燃料電池』と
言う共通の呼称で呼ばれているものの、それぞれの電池
構成材料を考える場合には、全く別物として捉えること
が必要である。使用される電解質による構成材料の腐食
の有無、３８０℃付近から顕在化し始める高温酸化の有
無、電解質の昇華と再析出、凝結の有無等により求めら
れる性能、特に耐食性能が、それぞれの燃料電池で全く
異なるためである。実際、使用されている材料も様々で
あり、黒鉛系素材から、Ｎｉクラッド材、高合金、ステ
ンレス鋼と多様である。

【０００８】商用化されているリン酸型燃料電池、溶融
炭酸塩型燃料電池に使用されている材料を、固体高分子
質型燃料電池の構成材料にそのまま適用することは全く
考えることができない。

【０００９】図１は、固体高分子型燃料電池の構造を示
す図で、図１（ａ）は、燃料電池セル（単セル）の分解
図、図１（ｂ）は燃料電池全体の斜視図である。同図に
示すように、燃料電池１は単セルの集合体である。単セ
ルは、図１（ａ）に示すように固体高分子電解質膜２の
１面に燃料電極膜（アノード）３を、他面には酸化剤電
極膜（カソード）４が積層されており、その両面にセパ
レータ５ａ、５ｂが重ねられた構造になっている。

【００１０】代表的な固体高分子電解質膜２としては、
水素イオン（プロトン）交換基を有するフッ素系プロト
ン伝導膜がある。

【００１１】燃料電極膜３および酸化剤電極膜４には、
粒子状の白金触媒と黒鉛粉、必要に応じて水素イオン
（プロトン）交換基を有するフッ素樹脂からなる触媒層
が設けられており、燃料ガスまたは酸化性ガスと接触す
るようになっている。

【００１２】セパレータ５ａに設けられている流路６ａ
から燃料ガス（水素または水素含有ガス）Ａが流されて
燃料電極膜３に水素が供給される。また、セパレータ５
ｂに設けられている流路６ｂからは空気のような酸化性
ガスＢが流され、酸素が供給される。これらガスの供給
により電気化学反応が生じて直流電力が発生する。

【００１３】固体高分子型燃料電池セパレータに求めら
れる機能は、（１）燃料極側で、燃料ガスを面内均一に
供給する“流路”としての機能、（２）カソード側で生
成した水を、燃料電池より反応後の空気、酸素といった
キャリアガスとともに効率的に系外に排出させる“流
路”としての機能、（３）長時間にわたって電極として
低電気抵抗、良伝導性を維持する単セル間の電気的“コ
ネクタ”としての機能、および（４）隣り合うセルで一
方のセルのアノード室と隣接するセルのカソード室との
“隔壁”としての機能などである。

【００１４】これまで、固体高分子型燃料電池のセパレ
ータ材料としてカーボン板材の適用が鋭意検討されてき
ているが、カーボン板材には“割れやすい”という問題
があり、さらに表面を平坦にするための機械加工コスト
およびガス流路形成のための機械加工コストが非常に高
くなる問題がある。それぞれが宿命的な問題であり、燃
料電池の商用化そのものを難しくさせかねない状況があ
る。

【００１５】カーボンの中でも、熱膨張性黒鉛加工品は
格段に安価であることから、固体高分子型燃料電池セパ
レータ用素材として最も注目されている。しかしなが
ら、ガス透過性を低減して前記隔壁としての機能を付与
するためには、“複数回”に及ぶ樹脂含浸と焼成を実施
しなければならない。また、平坦度確保および溝形成の
ための機械加工コスト等今後も解決すべき課題が多く、
実用化に至っていない。

【００１６】こうした黒鉛系素材の適用の検討に対峙す
る動きとして、コスト削減を目的に、セパレータにステ
ンレス鋼を適用する試みが開始されている。

【００１７】特許文献１（特開平１０−２２８９１４号
公報）には、金属製部材からなり、単位電池の電極との
接触面に直接金めっきを施した燃料電池用セパレータが
開示されている。金属製部材として、ステンレス鋼、ア
ルミニウムおよびＮｉ−鉄合金が挙げられており、ステ
ンレス鋼としては、ＳＵＳ３０４が用いられている。こ
の発明では、セパレータは金めっきが施されているの
で、セパレータと電極との接触抵抗が低下し、セパレー
タから電極への電子の導通が良好となるため、燃料電池
の出力電圧が大きくなるとされている。特許文献２（特
開平８−１８０８８３号公報）には、表面に形成される
不働態膜が大気により容易に生成される金属材料からな
るセパレータが用いられている固体高分子電解質型燃料
電池が開示されている。金属材料としてステンレス鋼と
チタン合金が挙げられている。この発明では、セパレー
タに用いられる金属の表面には、必ず不働態膜が存在し
ており、金属の表面が化学的に侵され難くなって燃料電
池セルで生成された水がイオン化される度合いが低減さ
れ、燃料電池セルの電気化学反応低下が抑制されるとさ
れている。また、セパレータの電極膜等に接触する部分
の不働体膜を除去し、貴金属層を形成することにより、
電気接触抵抗値が小さくなるとされている。

【００１８】しかしながら、上記の特許文献に開示され
ている表面に不働態膜を備えたステンレス鋼のような金
属材料をそのままセパレータに用いても、耐食性が十分
でなく金属の溶出が起こり、溶出金属イオンにより担持
触媒性能が劣化（以下、担持触媒の被毒と記す）する。
また、溶出後に生成するCr-OH、Fe-OHのような腐食生成
物により、セパレータの接触抵抗が増加するという問題
があるので、金属材料からなるセパレータには、コスト
を度外視した金めっき等の貴金属めっきが施されている
のが現状である。

【００１９】

【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報

【特許文献２】特開平８−１８０８８３号公報

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、接触
電気抵抗が低い固体高分子型燃料電池のセパレータ用ス
テンレス鋼、およびそのステンレス鋼からなるセパレー
タを備えた固体高分子型燃料電池を提供することにあ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、以下の
通りである。

【００２１】（１）ステンレス鋼表面に、導電性を有す
るＭ₂₃Ｃ₆型、Ｍ₄Ｃ型、Ｍ₂Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属
介在物およびＭ₂Ｂ型硼化物系金属介在物のうちの１種
以上が分散、露出しており、ステンレス鋼表面粗さが中
心線平均粗さＲａで０．０６〜５μmである固体高分子
型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼。

【００２２】（２）ステンレス鋼表面に分散、露出して
いるＭ₂₃Ｃ₆型、Ｍ₂Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物お
よびＭ₂Ｂ型硼化物系金属介在物中の金属元素（Ｍ）
が、クロム、モリブデン、タングステンの１種以上を含
んでいる上記（１）の固体高分子型燃料電池のセパレー
タ用ステンレス鋼。

【００２３】（３）ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：
０．１５％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：
０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０
１％以下、Ｃｒ：１５〜３６％、Ａｌ：０．００１〜６
％、Ｂ：０〜３．５％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｎｉ：
０〜７％、Ｍｏ：０〜７％、Ｃｕ：０〜１％、Ｔｉ：０
〜２５×（Ｃ％＋Ｎ％）、Ｎｂ：０〜２５×（Ｃ％＋Ｎ
％）を含有し、かつＣｒ、ＭｏおよびＢ含有量は下記式
を満足しており、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる
フェライト系ステンレス鋼である上記（１）または
（２）の固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレ
ス鋼。

【００２４】１７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ ただし、式中の各元素記号は含有量（質量％）を示す。

【００２５】（４）ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：
０．００５〜０．２％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５
％、Ｍｎ：０．０１〜２．５％、Ｐ：≦０．０４０％、
Ｓ：≦０．０１％、Ｃｒ：１７〜３０％、Ｎｉ：７〜５
０％、Ｂ：０〜３．５％、Ｎ：０〜０．４％、Ｃｕ：０
〜２％、Ａｌ：０．００１〜６％、Ｍｏ：０〜７％を含
有し、かつＣｒ、ＭｏおよびＢ含有量は下記式を満足し
ており、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるオーステ
ナイト系ステンレス鋼である上記（１）または（２）の
固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼。

【００２６】１７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ ただし、式中の各元素記号は含有量（質量％）を示す。

【００２７】（５）固体高分子電解質膜を中央にして燃
料電極膜と酸化剤電極膜を重ねあわせた単位電池を複数
個、単位電池間にセパレータを介在させて積層した積層
体に、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生
させる固体高分子型燃料電池にであって、セパレータが
上記（１）から（４）までのいずれかのステンレス鋼か
らなる固体高分子型燃料電池。

【００２８】ここで、Ｍ₂₃Ｃ₆型、Ｍ₄Ｃ型、Ｍ₂Ｃ型、
ＭＣ型炭化物系金属介在物またはＭ₂Ｂ型硼化物系金属
介在物の“Ｍ”は金属元素を示すが、特定の金属元素で
はなく、ＣあるいはＢとの化学的親和力の強い金属元素
を示す。一般に、Ｍは鋼中共存元素との関係より、Ｃ
ｒ、Ｆｅを主体とし、Ｎｉ、Ｍｏを微量含有することが
多い。Ｍ₂₃Ｃ₆型としては、Ｃｒ₂₃Ｃ₆、（Ｃｒ、Ｆｅ）
₂₃Ｃ₆、Ｍ₂Ｃ型としてＭｏ ₂Ｃ、ＭＣ型炭化物系金属介
在物としてＷＣ、また、Ｍ₂Ｂ型硼化物系金属介在物と
しては、Ｃｒ₂Ｂ、（Ｃｒ、Ｆｅ）₂Ｂ、（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎ
ｉ）₂Ｂ、（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ）₂Ｂ、（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、
Ｍｏ）₂Ｂ、Ｃｒ_1.2Ｆｅ_0.76Ｎｉ_0.04Ｂといったものが
ある。Ｍ₄Ｃ型には、Ｂ₄Ｃなどがある。基本的に、電気
伝導性が良好である金属系の分散物であれば類似の性能
が期待できると推察される。“Ｍ₂Ｂ”型表記の添え字
指数が“₂”であるのは、“硼化物中の金属元素である
Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｘ（ここで、ＸはＣｒ、Ｆ
ｅ、Ｍｏ、Ｎｉ以外の鋼中金属元素）とＢ量との間にお
いて、“（Ｃｒ質量％／Ｃｒ原子量＋Ｆｅ質量％/Ｆｅ
原子量＋Ｍｏ質量％/Ｍｏ原子量＋Ｎｉ質量％/Ｎｉ原子
量＋Ｘ質量％/Ｘ原子量）／（Ｂ質量％／Ｂ原子量）が
約２”となる化学量論的関係が成立しているからであ
る。これがＭ₂Ｂと表記する理由である。本表記法は、
特殊なものではなく、極めて一般的な表記法である。

【００２９】また、セパレータとは一般に前述した４つ
の機能を有するものである。すなわち、 ａ）燃料極側で、燃料ガスを面内均一に供給する"流路"
としての機能、 ｂ）カソード側で生成した水を、燃料電池より反応後の
空気、酸素といったキャリアガスとともに効率的に系外
に排出させる"流路"としての機能、 ｃ）長時間にわたって電極として低電気抵抗、良電導性
を維持する単セル間の電気的"コネクタ"としての機能、
および ｄ）隣り合うセルで一方のセルのアノード室と隣接する
セルのカソード室との"隔壁"としての機能を有するもの
である。これらの機能を複数枚のプレートで機能分担さ
せる構造にする場合もある。本発明でいうセパレータと
は、少なくとも上記ｃ）の機能を有するプレートをであ
る。

【００３０】表面粗さの定義として用いた“中心線平均
粗さＲａ”、“最大高さＲｍａｘ．”とは、ＪＩＳ Ｂ
０６０１−１９８２において定義されている二次元的
な表面粗さの程度を表す値である。

【００３１】本発明者らは、接触電気抵抗が低く耐食性
に優れたステンレス鋼、特に長時間にわたって固体高分
子型燃料電池のセパレータとして使用しても、電極用黒
鉛との接触電気抵抗が増加しないステンレス鋼を開発す
るため種々の試験をおこなった結果、以下の知見を得る
に至った。

【００３２】ａ）ステンレス鋼表面に形成される不働態
皮膜の電気抵抗は、ステンレス鋼固有のものであり、固
体高分子型燃料電池のセパレータとして用いて電気抵抗
を電池性能を発揮するのに十分低い値に安定して維持さ
せることは容易でない。

【００３３】ｂ）接触電気抵抗は、単位面積当りの接触
面積に依存している。すなわち、単位面積当りの接触点
数、接触点総面積、個々の接触点の電気抵抗に依存して
いる。

【００３４】ｃ）そこで、ステンレス鋼表面に導電性を
有する炭化物や硼化物の金属介在物を不働態被膜を突き
破るようにして分散、露出させ、かつ表面粗度を所定の
範囲にすると接触電気抵抗を大きく下げることができ、
接触電気抵抗を継時的に低く維持することができる。こ
の炭化物や硼化物系金属介在物は、“電気の通り道”と
して機能する。

【００３５】ｄ）セパレータ環境で、ステンレス鋼は比
較的良好な耐食性を発揮するが、金属溶出、腐食が起こ
り、腐食生成物（大部分は、Ｆｅを主体とする水酸化
物）が生成し、接触電気抵抗の増大をもたらし、かつ、
担持触媒性能に著しい悪影響を及ぼす。その結果、起電
力に代表される電池性能が短時間で劣化し、水素イオン
（プロトン）交換基を有するフッ素系イオン交換樹脂膜
のプロトン伝導性が劣化する。

【００３６】ｅ）一方で、電池本体内環境におけるステ
ンレス鋼の耐食性を確保するためには、不働態皮膜は必
要不可欠であが、不働態皮膜を強固にしても、皮膜厚が
厚くなると接触電気抵抗が増大し、電池効率が著しく低
下する。そのため、ジュール熱の発生が大きくなる。

【００３７】ｆ）不働態皮膜を強固にして、セパレータ
環境で金属の溶出を抑制するためには、ＣｒとＭｏの含
有量は（Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％）、Ｂを含有する場合には
（Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％−２．５Ｂ％）が１７％以上にな
るようにする必要がある。

【００３８】ｇ）積極的にＭｏを添加することで、耐食
性が確保される。Ｍｏは溶出したとしても、アノードお
よびカソード部に担持されている触媒の性能に対する影
響が比較的軽微である。このことは、溶出したＭｏが、
陰イオンであるモリブデン酸イオンとして存在するた
め、水素イオン（プロトン）交換基を有するフッ素系イ
オン交換樹脂膜のプロトン伝導性を阻害する影響が小さ
いためと考えられる。Ｗについてもタングステン酸イオ
ンとして存在し、同様の挙動が認められる。Ｖについて
も、同様の挙動が期待できる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳しく説明する。なお、以下に示す％表示は質量％を
示す。

【００４０】金属介在物：ステンレス鋼の表面に、導電
性を有するＭ₂₃Ｃ₆型、Ｍ₄Ｃ型、Ｍ₂Ｃ型、ＭＣ型炭化
物系金属介在物およびＭ₂Ｂ型硼化物系金属介在物を１
種以上を分散、露出させる。露出とは、金属介在物がス
テンレス鋼表面に生成している不働態被膜で覆われるこ
となく外面に出ていることである。金属介在物を分散、
露出させるのは金属介在物を電気の通り道（迂回路）と
して、接触電気抵抗を下げるためである。

【００４１】一般に、ステンレス鋼におけるＭ₂₃Ｃ₆
型炭化物系金属介在物は、耐食性低下の原因であり厄介
者扱いされることが多い。本発明では、これまで厄介者
扱いされてきたＭ₂₃Ｃ₆ 型炭化物系金属介在物をも積
極的に析出させ、不働態皮膜形成により増大する接触電
気抵抗を減じさせる『電気の通り道（迂回路）』として
活用する。

【００４２】金属介在物の分散、露出させる方法には以
下のような方法がある。

【００４３】（１）鋼中の炭素をクロム系炭化物などと
して析出させる （２）鋼中の硼素をクロム系硼化物として析出させる （３）Ｂ₄Ｃ、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃのような導電性を有する金
属微粉末の投射（以下、ショットと記す）、研磨および
研削などの機械加工時に“鋼表面にめり込ませて残留さ
せる” （４）蒸着、イオンインプランテーションなどの表面改
質と呼ばれる表面処理方法と析出処理のための熱処理を
組み合わせる このなかで、（４）は工業的な手法としては高価である
が、最表層部分を除いて、板厚方向の特性がほとんど変
化しないので有効である。

【００４４】Ｍ₂₃Ｃ₆型、Ｍ₂Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属
介在物およびＭ₂Ｂ型硼化物系金属介在物中の金属元素
（Ｍ）が、クロム、モリブデン、タングステンの１種以
上を含んでいる場合、これらの炭化物、硼化物がいずれ
も金属介在物として熱力学的に安定であり、導電性に優
れるとともに、母材並みに優れた耐食を有する。また、
いずれも硬度が高いので、ショット、研磨、および研削
といった機械加工を用いて鋼表面にめり込ませて残留さ
せて、その機能を発揮させようとする本発明の目的には
望ましい。さらに、これらの金属介在物が万が一溶出し
たとしても、溶出金属イオンがいずれもステンレス鋼の
不働態化を促進する耐食性改善元素であり、また、モリ
ブデン、タングステンなどは金属イオンでありながらモ
リブデン酸イオン、タングステン酸イオンといった陰イ
オンを形成し、電解質膜であるプロトン伝導性への影響
が小さいという特徴を有している。

【００４５】鋼中に析出した金属介在物をステンレス鋼
表面に生成した不働態被膜の外面に露出させる方法には
以下のような方法がある。

【００４６】１）酸洗処理する方法 ２）ロール表面をショット加工あるいはエッチング加工
した微小凹凸を有する圧延ロール（通称、“ダルロー
ル”）で圧延する方法 ３）ステンレス鋼板を直接ショット加工する方法。

【００４７】酸洗処理する方法では、地金をわずかに溶
解して、耐食的に優れる金属介在物を残留させたまま少
し突出させればよい。好ましい酸洗条件の一例として、
５−１５％硝酸に１−１０％ふっ酸を加えた混酸溶液が
ある。１％から１５％未満の濃度の塩酸、硫酸溶液でも
可能である。地金をわずかに溶解して、耐食的に優れる
金属介在物を残留させたまま少し突出させることができ
れば、浸漬する酸液はどのような液でもよく、電解等を
併用させてもよい。

【００４８】図２は、金属介在物を露出させたステンレ
ス鋼の表面と他の通電体面と接触させた場合の断面図を
示す。

【００４９】この図は、ステンレス鋼１０の表面には不
働態被膜１２が存在しており、析出させた硼化物系金属
介在物１３、炭化物系金属介在物１５、および投射した
金属介在物１４がそれぞれ表面から露出しており、カー
ボン板１１と接している状態を示している。

【００５０】表面粗さ：表面粗さは接触電気抵抗に影響
するために規定するもので、Ｒａが０．０６μm未満で
は表面が平滑過ぎて、導電性金属介在物が鋼表近傍に存
在しても改善効果が認められない。平滑過ぎるとかえっ
て接触点が少なくなるようである。一方、Ｒａが５μm
を超えると単位面積当りの接触点数が著しく減少し接触
電気抵抗が大きくなる。したがって、Ｒａは０．０６〜
５μmとした。好ましいのは０．０６〜２．５μｍであ
る。

【００５１】化学組成：本発明のステンレス鋼の好まし
い化学組成は、以下の通りである。

【００５２】Ｃ：Ｃは、本発明においてＢと並んで重要
な元素で、Ｃｒ系主体の炭化物として分散析出させるこ
とで、不働態皮膜で覆われているステンレス鋼表面の接
触電気抵抗を下げる効果がある。このことは、Ｃｒ系炭
化物が金属的性質を有しており、不動態皮膜よりも良好
な電気伝導性を有していることにより説明できる。Ｂを
含有させたステンレス鋼の場合、多量の硼化物が析出す
るので、硼化物中にも取り込まれて析出する場合があ
る。

【００５３】一般にステンレス鋼表面には、数十Å程度
の極々薄い不働態皮膜が生成し優れた耐食性を示すが、
多かれ少なかれ不働態皮膜は母材に比べて電気伝導性が
劣り、接触電気抵抗を高める。不働態皮膜を薄くするこ
とで、電気抵抗を小さくすることも可能ではあるが、特
に固体高分子型燃料電池内部で用いられた場合、安定し
て不動態皮膜を薄い状態で維持することは容易ではな
い。電気電導性に優れたＣｒ系炭化物が不働態皮膜に覆
われることなく表面に直接露出することが、ステンレス
鋼表面の電気伝導性を長時間にわたって低く安定させる
ことにとって極めて有効である。すなわち、Ｃｒ系炭化
物は耐食的に安定で、かつ、表面に不働態皮膜を形成し
ない。したがって、たとえ固体高分子型燃料電池内部で
表面の不働態皮膜が厚くなったとしても、鋼表面に露出
しているＣｒ系炭化物を介して良電導性が確保されるこ
ととなり、鋼表面の接触電気抵抗が高くなるのを抑制す
ることができる。言いかえるならば、不働態皮膜に覆わ
れることなく露出している微細なクロム系炭化物が『電
気の通り道（迂回路）』として機能することで、接触電
気抵抗を低く維持できる。

【００５４】一般に、Ｃを多量に含有させると、ステン
レス鋼は強度、硬度が高くなって延性が低下し、製造性
が低下する。固体高分子型燃料電池用セパレータ材とし
ての成形性を確保するためにも、鋼中のＣを炭化物とし
て析出させて、固溶Ｃ量を下げるのが好ましい。炭化物
としてＣを析出させることで、鋼の成形性が改善され
る。すなわち、成形性確保の点からも、鋼中のＣを炭化
物として析出させることは有効である。さらに、炭化物
を熱処理で凝集粗大化させることも、加工性を一層改善
させるのに有効である。長時間保持することで、炭化物
は凝集し粗大化する。凝集粗大化熱処理前に、あらかじ
め冷間圧延、金属微粉末をショットしたり、研磨、研削
加工することにより残留歪を加えれば、炭化物の析出時
間、凝集時間を短くすることができる。また、炭化物析
出に伴い顕在化する鋭敏化に対しても、耐食性が母材並
みに回復するまでの時間が短くなる。

【００５５】フェライト系ステンレス鋼では、０．１５
％を超えて含有させると、固体高分子型燃料電池セパレ
ータ用としての成形性が確保できなくなるので、Ｃ含有
は０．１５％以下にするのが好ましい。さらに、炭化物
析出により生じる鋭敏化を防止するためには（Ｃｒ系炭
化物として析出しているＣ質量％）×１００／［（鋼中
全Ｃ質量％）−０．００１５％］の値を８０以上とする
ことが望ましい。

【００５６】炭化物を析出させてステンレス鋼表面に分
散、露出させるには、Ｃを０．０２％以上含有させるの
が好ましく、さらに好ましくは０．０４％以上である。
また、炭化物の析出を促進するためには５００〜９５０
℃の温度域に保持する熱処理を施すのがよい。９５０℃
を超える温度域では、Ｃｒ系炭化物は熱的に不安定とな
り再固溶する。一方、５００℃未満の温度では鋼中Ｃ、
Ｃｒの拡散速度が遅くなり量産での析出処理時間が長く
なり工業的な観点より好ましくない。Ｃｒ系炭化物を析
出させるのに、より好適な処理温度域は６５０〜９００
℃であり、最も望ましい温度域は８００〜９００℃であ
る。

【００５７】オーステナイト系ステンレス鋼では、積極
的に炭化物を析出させるためには０．００５〜０．２％
の範囲でＣを含有させるのがよい。０．２％を超えて含
有させると、固体高分子型燃料電池セパレータ用として
の成形性を確保することができなくなる。炭化物をより
多く析出させてステンレス鋼表面に分散、露出させるに
は、０．０６％以上含有させるのが好ましい。また、炭
化物析出による鋭敏化を防止するためには、（Ｃｒ系炭
化物として析出しているＣ質量％）×１００／（（鋼中
全Ｃ質量％）−０．０１２％）の値を８５以上とするこ
とが望ましい。

【００５８】炭化物の析出を促進させるには５００℃〜
９５０℃の温度域に保持する熱処理を施すのがよい。た
だし、９５０℃を超える温度域では、Ｃｒ系炭化物は熱
的に不安定となり再固溶する。一方、５００℃未満では
鋼中Ｃ、Ｃｒの拡散速度が遅く、量産での析出処理時間
が長くなり工業的な観点より好ましくない。Ｃｒ系炭化
物析出により好適な処理温度域は６００〜９００℃であ
る。

【００５９】Ｃｒ系炭化物は鋼中に微細に分散析出する
が、析出しやすい結晶粒界に優先的に析出する傾向があ
る。接触電気抵抗を低くする上で、クロム系炭化物が粒
界、粒内いずれに析出するかはさほどの影響はないが、
均一に分散させるとの観点より考えて、粒内にも分散析
出していることが望ましい。

【００６０】粒内に分散させるためには、一旦Ｃｒ系炭
化物を析出させた状態で、Ｃｒ系炭化物が再固溶しない
温度域、時間内に熱間圧延あるいは冷間圧延で加工歪を
付与した後、再度５００℃以上、９５０℃以下のＣｒ系
炭化物析出温度域に保持すればよい。付与する冷間加工
度は数％から効果を確認することができるが、２０〜３
０％程度以上が望ましい。表層付近にのみ加工歪を付与
し、表層付近にのみ炭化物を析出させることも可能であ
る。いずれにしても、再固溶した鋼中Ｃが、粒界あるい
は粒内に固溶せず残留している炭化物を核として再度析
出し、新粒界が形成されることで粒内にも炭化物が析出
することとなる。

【００６１】表層付近にのみ加工歪を付与し、析出処理
を施した場合、先に示したフェライト系では、（Ｃｒ系
炭化物として析出しているＣ質量％）×１００／（（鋼
中全Ｃ質量％）−０．００１５％）の値が８０以上なる
関係、オーステナイト系では（Ｃｒ系炭化物として析出
しているＣ質量％）×１００／（（鋼中全Ｃ質量％）−
０．０１２％）の値が８５以上なる関係を成立させるこ
とは困難となるが、定性的には露出している表面でこれ
ら関係式を満足させるのが望ましい。

【００６２】周知のように、Ｃｒ系炭化物析出処理で
は、鋭敏化により母材耐食性を低下させる可能性があ
る。鋭敏化とは、Ｃｒ系炭化物が析出することでその周
囲にＣｒ欠乏層が生成することで起こる耐食性の低下で
ある。鋭敏化は、５００℃以上、９５０℃以下の温度域
に長時間保持し、緩冷却することで回避、あるいは改善
することができる。一般的に、冷却速度は遅いほど望ま
しい。

【００６３】ただし、鋭敏化抑制の熱処理時間は、鋼中
のＣ量および材料の履歴により異なるので、条件を特定
することは難しい。すなわち、鋭敏化抑制の熱処理は、
炭化物析出処理の熱処理前での炭化物の析出状況、残留
加工歪量、保持温度などにより異なるので一概に規定す
ることが困難である。

【００６４】一例として、８３０℃×６時間炉冷を挙げ
ることができる。析出熱処理をおこなった直後に冷却を
おこなうことなく、鋭敏化抑制のための熱処理を継続し
ておこなってもよい。また、一旦冷却した後、再度５０
０℃以上、９５０℃以下の温度域に加熱保持し、緩冷却
することで鋭敏化を回避、あるいは改善してもよい。一
つの目安として、フェライト系では、（Ｃｒ系炭化物と
して析出しているＣ質量％）×１００／（（鋼中全Ｃ質
量％）−０．００１５％）の値で８０以上なる関係、オ
ーステナイト系では（Ｃｒ系炭化物として析出している
Ｃ質量％）×１００／（（鋼中全Ｃ質量％）−０．０１
２％）の値で８５以上なる関係を満足させるのがよい。
鋭敏化することなく、鋭敏化現象が回復し、耐食性が確
保されているかどうかは、ＪＩＳ Ｇ−０５７５に規定
されている『硫酸−硫酸銅腐食試験』のような粒界腐食
検出法により容易に確認することができる。

【００６５】（Ｃｒ系炭化物として析出しているＣ質量
％）の値の定量に際しては、試験材から８ｍｍ直径の丸
棒を加工し、ＡＡ液（１０％アセチルアセトン−１％テ
トラメチルアンモニウムクロライド−残りメタノール）
を用いる非水溶媒溶液中での定電流電解をおこなうこと
により得られる抽出残渣中のＣｒ定量分析結果より、Ｃ
ｒがすべてＣｒ₂₃Ｃ₆であるとして等量計算にてＣ量を
定量評価できる。

【００６６】すなわち、ＡＡ非水溶媒液中にて、２０ｍ
Ａ/ｃｍ²の電流密度にて約３時間の定電流電解をおこな
うことで約０．４ｇ相当を溶解し、電解後すみやかに電
解試験片を超音波洗浄したＡＡ非水溶媒液と電解に用い
たＡＡ非水溶媒溶液をフィルター径０．２μｍのCoster
Scientific Corporation社製“商品名Nuclepore”で濾
し取り、フィルター上の残渣を硫りん酸（特級りん酸：
特級硫酸：蒸留水＝１：１：１）中で溶解し、これを島
津製作所製誘導結合プラズマ発光分光分析装置“商品名
ICPV-1014”にて金属成分を分析することによりＣｒ系
炭化物中のＣｒ濃度を求めることができる。

【００６７】また、（鋼中全Ｃ質量％）の定量について
は、赤外線吸収法を用いて定量することができる。なわ
ち、試験片を酸素気流中で加熱、溶解して、鋼中の炭素
を十分に加熱して二酸化炭素とし、これを酸素と共に赤
外線吸収セルに送り、二酸化炭素による赤外線吸収量で
定量分析する。現状では、最も一般的な鋼中Ｃ定量法で
ある。

【００６８】Ｓｉ：鋼中のＳｉ量は、０．０１〜１．５
％の範囲で含有させるのがよい。Ｓｉは、量産鋼におい
てはＡｌと同様に有効な脱酸元素である。０．０１％未
満では脱酸が不十分となり、一方１．５％を超えると成
形性が低下する。

【００６９】Ｍｎ：フェライト系ステンレス鋼において
は、０．０１〜１．５％の範囲内で含有させるのがよ
い。通常、Ｍｎは鋼中のＳをＭｎ系の硫化物として固定
する作用があり、熱間加工性を改善する効果がある。オ
ーステナイト系ステンレス鋼では、Ｍｎは０．０１〜
２．５％含有させる。Ｍｎは、有効なオーステナイト相
安定化元素である。ただし、２．５％を超えて含有させ
る必要はない。

【００７０】Ｐ：鋼中のＰ量は、０．０４％以下とする
のが好ましい。本発明のステンレス鋼においては、Ｐは
Ｓと並んで最も有害な不純物である。低ければ低い程望
ましい。

【００７１】Ｓ：鋼中のＳ量は、０．０１％以下とする
のが好ましい。本発明のステンレス鋼において、ＳはＰ
と並んで最も有害な不純物である。低ければ、低いほど
望ましい。鋼中共存元素および鋼中のＳ量に応じて、Ｍ
ｎ系硫化物、Ｃｒ系硫化物、Ｆｅ系硫化物、あるいはこ
れらの複合硫化物および酸化物との複合非金属介在物と
してほとんどが析出する。しかしながら、固体高分子型
燃料電池のセパレータ環境においては、いずれの組成の
非金属介在物も、程度の差はあるものの腐食の起点とし
て作用し、不働態皮膜の維持、腐食溶出抑制に有害であ
る。通常の量産鋼の鋼中Ｓ量は、０．００５％超え０．
００８％前後であるが、上記の有害な影響を防止するた
めには０．００４％以下に低減することが望ましい。よ
り、望ましい鋼中Ｓ量は０．００２％以下であり、最も
望ましい鋼中Ｓ量レベルは、０．００１％未満であり、
低ければ低い程よい。工業的量産レベルで０．００１％
未満とすることは、現状の精錬技術をもってすれば製造
コストの上昇もわずかであり、全く問題ない。

【００７２】Ｃｒ：Ｃｒは、母材の耐食性を確保する上
で極めて重要な基本合金元素である。含有量は高いほど
高耐食となる。フェライト系においてはＣｒ量が３６％
を超えると量産規模での生産が難しくなる。オーステナ
イト系では３０％を超えるとオーステナイト相がその他
合金成分の調整によっても不安定性になる。フェライト
系では１５％未満、オーステナイト系では１７％未満の
Ｃｒ含有量では、その他の元素を変化させてもセパレー
タとして必要な耐食性の確保が困難になる。

【００７３】硼化物、炭化物が析出することにより、耐
食性向上に寄与する鋼中Ｃｒ量が、溶鋼段階でのＣｒ量
に比べて低下して母材耐食性が劣化する場合がある。固
体高分子型燃料電池内部での耐食性を確保するために
は、Ｍ₂Ｂ型硼化物が析出している本発明鋼の場合は、
（Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％−２．５×Ｂ％）≧１７％なる関
係式を満たす鋼中Ｃｒ量であることが望ましい。また、
Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物が析出した場合にも、炭化物析出量に
見合うだけの固溶Ｃｒ量が低下するため、（鋼中Ｃｒ％
−Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物として析出したＣｒ％）＋３×Ｍｏ
％≧１７％なる関係式を満たす鋼中Ｃｒ量であることが
望ましい。

【００７４】Ａｌ：Ａｌは、脱酸元素として溶鋼段階で
添加する。本発明鋼でＢを含有させる場合は、Ｂは溶鋼
中酸素との結合力が強い元素であるので、Ａｌ脱酸によ
り酸素濃度を下げておくのがよい。そのため、０．００
１〜６％の範囲で含有させるのがよい。 Ｂ：Ｂは、必要に応じて含有させるが、重要な添加元素
のひとつである。含有させる場合、３．５％以下とする
のがよい。Ｂ含有鋼においては、ＢはＣｒ、Ｆｅを主体
とし、Ｎｉ、Ｍｏを微量含有する（Ｃｒ，Ｆｅ）₂Ｂ、
（Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ）₂ＢといったＭ₂Ｂ型硼化物として
析出させることにより、不働態皮膜で覆われるステンレ
ス鋼表面の接触電気抵抗を下げる効果がある。一方、Ｂ
₄Ｃといった微粒子粉末をショットしたり、研磨、研削
する際に“めり込ませて残留物させる”ことで、接触電
気抵抗を継時的に低く維持することができる。

【００７５】このことは、これらの硼化物は金属的性質
を有しており、不働態皮膜よりも良好な電気伝導性を有
していることにより説明できる。

【００７６】電気電導性に優れた硼化物を、不働態皮膜
に覆われることなく表面に直接露出させることにより、
ステンレス鋼表面の電気伝導性を長時間にわたって低く
安定させることに極めて有効である。

【００７７】すなわち、硼化物は炭化物と同様に耐食的
に安定で、かつ、表面に不働態皮膜を形成しない。した
がって、たとえ固体高分子型燃料電池内部で表面の不働
態皮膜が厚くなったとしても、鋼表面に露出している硼
化物を介して良電導性が確保されることとなり、鋼表面
の接触電気抵抗が高くなるのを抑制することができる。
換言すれば、不働態皮膜に覆われることなく露出してい
る微細な金属性質を有する硼化物が『電気の通り道（迂
回路）』として機能することで、接触電気抵抗を低く維
持することができる。

【００７８】一般に、Ｂを多量に含有すると、ステンレ
ス鋼は強度、硬度が高くなって延性も低下し、製造性の
低下が大きくなる。固体高分子型燃料電池用セパレータ
材としての成形性を確保するためにも、鋼中のＢを硼化
物として析出させて、固溶Ｂ量を下げるのが好ましい。
硼化物としてＢを析出させることにより鋼の成形性が改
善される。

【００７９】すなわち、成形性確保の点からも鋼中のＢ
を硼化物として析出させることが有効である。さらに、
１２００℃近傍の温度で長時間保持することにより、硼
化物を凝集し粗大化させることができ、加工性を一層改
善させるのに有効である。ただし、保持温度が高いため
素材が変形しやすい難点がある。

【００８０】また、製造過程において、熱間での鍛造比
（鍛錬比）を高めて強加工することにより、変形能が低
下する原因である硼化物を砕いて微細に分散させること
が可能である。微細に破砕することで靭性劣化を軽減す
ることができる。

【００８１】３．５％を超えるＢを含有させることは、
通常の溶解法での製造では困難である。また、固体高分
子型燃料電池セパレータ用としての常温での成形性が確
保できなくなる。したがって、Ｂを含有させる場合は
３．５％以下とするのが好ましい。

【００８２】周知のごとく、鋼中のＢはそのほとんどが
硼化物として析出する。１１２５℃においても０．０１
％以下程度固溶するのみである。低温側では、固溶量は
さらに低くなる。

【００８３】硼化物析出温度は、含有量にもよるが、ス
テンレス鋼の凝固温度近傍にあり、一旦析出すると、ほ
とんど再固溶しない挙動を示す。Ｂの含有量と共に液相
線が低下し、熱間での鍛造可能温度範囲も狭くなる問題
もある。硼化物そのものの変形能が極めて劣ることか
ら、Ｂ含有量が多く硼化物析出が顕著になるほど製造
時、加工時の割れ問題が大きくなり、量産性が悪くな
る。ただし、Ｂ量が１．５％以上、３．５％までは、相
当の困難さを伴うものの工業的規模での製造は可能であ
る。

【００８４】加工変形能をほとんど有しないＭ₂Ｂ型硼
化物は、圧延方向に砕けて分散するような様相で分散し
ながら圧延される。硼化物の分散状態が成形性を左右す
る。鋼中における硼化物分散状態の制御は、鍛造条件、
熱間圧延条件を工夫することで可能である。特に、熱間
での強圧下圧延が有効である。

【００８５】Ｂ含有量が、数十ｐｐｍ程度である場合に
は、硼化物は結晶粒界に析出する傾向が大きい。接触電
気抵抗を低くする上で、硼化物が粒界、粒内いずれに析
出するかはさほどの影響はないが、常温での加工性、割
れ問題回避の点から均一に分散させる方が好ましいこと
は言うまでもない。

【００８６】硼化物析出により、母材耐食性が低下する
可能性がある。硼化物析出による母材の耐食性低下は、
硼化物が析出することで母材中のＣｒ、Ｍｏが消費され
るために起こる。あらかじめ、硼化物形成により消費さ
れるＣｒ量相当およびＭｏ量相当を溶鋼の段階で含有さ
せておくことが耐食性低下軽減に対して極めて重要であ
る。冷却速度の影響は比較的小さい。

【００８７】固体高分子型燃料電池本体内部での耐食性
を確保するために、Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％−２．５×Ｂ％
≧１７％を満足させることが好ましい。各元素のかかる
係数は、実験則で規定したものである。

【００８８】鋼中Ｂ量は、試験材から８ｍｍ直径の丸棒
を加工し、ＡＡ液（１０％アセチルアセトンー１％テト
ラメチルアンモニウムクロライド−残りメタノール）を
用いる非水溶媒溶液中での定電流電解をおこなうことで
得られる抽出残渣よりＢ定量分析を行うことで定量する
ことができる。すなわち、ＡＡ非水溶媒液中にて、２０
ｍＡ/ｃｍ²の電流密度にて約３時間の定電流電解をおこ
なうことで約０．４ｇ相当を溶解し、電解後すみやかに
電解試験片を超音波洗浄したＡＡ非水溶媒液と電解に用
いたＡＡ非水溶媒溶液をフィルター径０．２μｍのCost
er ScientificCorporation社製のNuclepore（商品名）
で濾し取り、フィルター上の残渣を用いて定量をおこな
うことができる。鋼中の硼化物量が少なく残渣量が４０
μｇ以下と少ない場合には、蒸留分離した後クルクミン
吸光光度法により、４０μｇ以上の場合には硫りん酸
（特級りん酸：特級硫酸：蒸留水＝１：１：１）中で溶
解した後、これを島津製作所製誘導結合プラズマ発光分
光分析装置（商品名ICPV-1014）にて金属成分を分析
し、硼化物として析出しているＢ量を定量することがで
きる。

【００８９】上記でのＡＡ液中での定電流電解で得られ
る残渣は、Ｍ₂Ｂの化合物としてフィルター上に捕集さ
れる。硼化物としてＢと結合している金属元素の定量
は、誘導結合プラズマ発光分光分析法を利用する上記要
領により可能である。定性分析は、Ｘ線回折法により可
能である。

【００９０】Ｎ：フェライト系ステンレス鋼におけるＮ
は不純物である。Ｎは常温靭性を劣化させるので上限を
０．０３５％とするのがよい。低ければ低い程望まし
い。工業的には０．００７％以下とすることが最も望ま
しい。オーステナイト系のステンレス鋼においては、Ｎ
はオ−ステナイト形成元素として、オーステナイト相バ
ランスの調整に有効な元素である。しかし、加工性を劣
化させないために上限を０．４％とするのがよい。

【００９１】Ｎｉ：オーステナイト系ステンレス鋼にお
いては、Ｎｉはオーステナイト相安定のために極めて重
要な合金元素である。フェライト系ステンレス鋼におい
ても、耐食性、靭性を改善する効果がある。オーステナ
イト系ステンレス鋼においては、下限を７％とし、上限
を５０％とするのが好ましい。７％以下では、オーステ
ナイト相安定が困難となり、一方、５０％を超えて含有
させると、製造が困難となるからである。フェライト系
ステンレス鋼は、上限を７％とするのが好ましい。７％
を超えるとフェライト系組織とすることが困難となり、
その他元素の影響も受けるが、フェライト及びオーステ
ナイト二相組織となるからである。二相組織では薄板成
形性に方向性があり、固体高分子型燃料電池セパレータ
用素材として十分な加工性を確保することができなくな
る。

【００９２】Ｍｏ：ＭｏはＣｒに比べ、少量で耐食性を
改善する効果がある。７％以下の量で必要により含有さ
せるのがよい。７％を超えて含有させると、シグマ相等
の金属間化合物の析出回避が困難であり、鋼の脆化の問
題から生産が困難となるので上限を７％とするのがよ
い。

【００９３】また、Ｍｏの特徴として、固体高分子型燃
料電池内部で、たとえ腐食により鋼中Ｍｏの溶け出しが
起こったとしても、アノードおよびカソード部に担持さ
れている触媒の性能に対する影響は比較的軽微である特
徴がある。Ｍｏが、金属陽イオンとして存在せず、モリ
ブデン酸陰イオンとして存在するため、水素イオン（プ
ロトン）交換基を有するフッ素系イオン交換樹脂膜の陽
イオン伝導度に対する影響も小さいことで説明できる。

【００９４】Ｍｏは、耐食性を維持するために極めて重
要な添加元素であり、（Ｃｒ％＋３×Ｍｏ％−２．５×
Ｂ％）≧１７％なる関係式を満たす鋼中Ｍｏ量であるこ
とが望ましい。

【００９５】鋼中あるいは、鋼表面にＭｏ₂Ｃ型炭化物
として、ショット加工、あるいは研磨、研削などの機械
加工後の残留物として、あるいは析出物として存在させ
ることができる。導電性金属としてステンレス鋼の表面
に分散、露出させることで、不働態皮膜で覆われるステ
ンレス鋼表面の接触電気抵抗を下げる効果がある。この
ことは、Ｍｏ系炭化物が金属的性質を有しており、不動
態皮膜よりも良好な電気伝導性を有していることにより
説明できる。電導性に優れたＭｏ系炭化物を不働態皮膜
に覆われることなく表面に直接露出させることで、微細
なＭｏ系炭化物が『電気の通り道（迂回路）』として機
能することで、接触電気抵抗を低く維持すことができ
る。

【００９６】また、工業的にはコスト高となるが、イオ
ン注入等でステンレス鋼表層部分のＭｏ濃度を高め、そ
の後の熱処理により鋼中のＣと反応させて、表層でＭｏ
₂Ｃを形成させることも可能である。

【００９７】Ｃｕ：Ｃｕは必要に応じて含有させること
ができる。しかし、フェライト系ステンレス鋼では、Ｃ
ｕは１％以下で含有させるのがよい。１％を超えて含有
させると、熱間での加工性を減ずることとなり、量産性
の確保が難しくなるからである。オーステナイト系ステ
ンレス鋼では、２％以下の範囲で含有させるのがよい。
Ｃｕは、有効なオーステナイト相安定化元素であり、不
働態保持に際して有効な働きをする。

【００９８】Ｔｉ、Ｎｂ：ＴｉおよびＮｂは、フェライ
ト系ステンレス鋼の靭性劣化を軽減する効果がある。必
要に応じて２５×（Ｃ％＋Ｎ％）以下で含有させる。Ｔ
ｉ、Ｎｂの複合で含有させても靭性改善の効果は得られ
る。

【００９９】以下、具体的な実施例により本発明の効果
を詳細に説明する。

【０１００】

【実施例１】表１に示した１６種の化学組成のステンレ
ス鋼を高周波誘導加熱方式の１５０kg真空溶解炉で溶解
しインゴットに造塊した。溶解原料としては、市販の原
料を使用し、鋼中の不純物量を調整した。Ｂ添加には市
販のＦｅ−Ｂ合金鉄を用いた。ａからｉ、およびｐはフ
ェライト系ステンレス鋼であり、ｊからｏはオーステナ
イト系ステンレス鋼である。

【０１０１】

【表１】

【０１０２】各インゴットから下記の工程により冷間圧
延鋼板を製造した。

【０１０３】インコ゛ット → 鍛造 → 切削加工 → 熱間圧延
→ 焼鈍 → 冷却→ ショットフ゛ラストで脱スケール → 酸洗 → 冷
間圧延（中間焼鈍）→ 焼鈍 → 酸洗 各製造工程における詳細は以下の通りである。

【０１０４】 インゴット： ［鋼記号］ ［インゴット形状］ ａ〜ｆ、ｐ ： 丸型 ｇ〜ｉ ： 角型扁平 ｊ〜ｍ ： 丸型 ｎ、ｏ ： 角型扁平 鍛造(フ゜レス方式、加熱は大気中)：(仕上げ寸法の厚さ、幅、長さの単位はmm) ［鋼記号］ ［加熱温度(℃)］［加熱時間(hr)]［厚さ 幅 長さ］ ａ〜ｆ、ｐ ： 1220 3 70 400 600 ｇ〜ｉ ： 1180 3 50 400 600 ｊ〜ｍ ： 1260 3 70 400 600 ｎ、ｏ ： 1180 3 50 400 600 切削加工： 上記スラブを切削加工して表面の酸化スケールおよび端面の割れを除去 ［鋼記号］ ［切削後の仕上げ厚さ(mm)］ ａ〜ｆ、ｐ ： 60 ｇ〜ｉ ： 42 ｊ〜ｍ ： 60 ｎ、ｏ ： 42 熱間圧延： ［鋼記号］ ［スラフ゛加熱温度(℃)大気中］ ［仕上げ厚さ(mm)］ ａ〜ｆ、ｐ ： 1220 3.8 ｇ〜ｉ ： 1180 2.6 ｊ〜ｍ ： 1260 3.8 ｎ、ｏ ： 1180 2.6 いずれも熱間圧延後、量産での熱延終了直後の温度履歴
を模擬して断熱材を巻き付けて徐冷した。

【０１０５】鋼記号ｇからｉ、およびｎ、ｏについて
は、０．６％以上のＢを含有しているステンレス鋼であ
る。鋼中Ｂは、固相線以下、１２００℃付近で析出す
る。Ｍ₂Ｂ型硼化物は金属間化合物でありながら常温
域、高温域ともに変形能が極めて悪いので、おおよそ、
１０００℃以上、１２００℃以下の温度範囲で再加熱を
繰り返しながら鍛造、圧延をおこなった。また、コイル
端面の温度は低下しやすく、耳割れを発生しやすいの
で、コイル端面を保熱、必要に応じて加熱しながら熱間
圧延をおこなった。

【０１０６】 熱間圧延後の焼鈍（大気中）： ［鋼記号］ ［焼鈍温度℃］ ［冷却］ ａ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｐ ： 840 空冷 ｂ ： 925 水冷 ｃ、ｄ ： 1000 水冷 ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ ： 1080 空冷 保持時間は、いずれも２０分 表面の高温酸化スケールは、ショットにて除去、酸洗冷
間圧延：全て０．３ｍｍに仕上げた。

【０１０７】必要に応じて、冷間圧延途中で８１０℃で
軟化焼鈍と酸洗を実施した。

【０１０８】冷延コイルは、上記熱延材と同じ温度で最
終焼鈍をおこない供試材とし、下記の方法によりステン
レス鋼板の表面に金属介在物を分散、露出させてた後、
表面粗さ、接触電気抵抗を測定すると共に、セパレータ
を製作して固体高分子型燃料電池に組み込み性能評価を
おこなった。

【０１０９】各試験に用いた冷延鋼板の表面の金属介在
物の分散、露出および表面粗さは、酸洗液条件（液組
成、温度）、酸洗時間を変えることによりおこなった。
用いた酸洗液は下記の４種類であった。

【０１１０】 硝酸：１５％、ふっ酸：３％、水：残部 硝酸：１０％、ふっ酸：８％、水：残部 硝酸：１０％、ふっ酸：４％、水：残部 硝酸： ８％、ふっ酸：３％、水：残部 なお、酸洗液の温度は６０℃一定とした。

【０１１１】また、ステンレス鋼板表面に金属介在物を
分散、露出させる手段として、析出させる以外にＷＣ、
Ｍｏ₂Ｃ、Ｂ₄Ｃの導電性を有する硬質微粉末をショット
する方法を用いた。ショット条件は以下の通りであっ
た。

【０１１２】ショットした微粉末は、いずれも工業的に
製造された粉末であり、平均粒径は約２００μｍであっ
た。ＷＣで９９％以上、Ｍｏ₂Ｃで９０％、Ｂ₄Ｃで９５
％以上の高純度品で、それぞれＭＣ型、Ｍ₂Ｃ型、Ｍ₄Ｃ
型炭化物に該当する。投射条件は以下の通りであった。

【０１１３】投射圧力：５ｋｇ／ｃｍ² 投射距離：２００ｍｍ 投射量 ：５ｋｇ／ｍｉｎ 投射角度：８０度 実施した試験は、下記の（１）〜（４）である。 （１）冷延鋼板に導電性粉末を投射することにより金属
介在物を分散、露出させたステンレス鋼板の試験 表２に示した鋼記号の各冷延鋼板を、同表に示す酸洗条
件で酸洗した後、ＷＣ、Ｍｏ₂Ｃ、Ｂ₄Ｃの導電性を有す
る硬質微粉末をショットした後、蒸留水中で１５分間の
超音波洗浄をおこなった。冷風ドライアーで乾燥させた
後、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９８２に規定の表面粗さ
（中心平均粗さＲａおよび最大高さＲｍａｘ）と、接触
電気抵抗を測定した。その結果を表２に示す。ショット
前に酸洗を実施しない場合にも、ほぼ同様の効果が確認
できた。

【０１１４】

【表２】

【０１１５】表２に示したNo.１〜１３は、ショットを
施した場合で、No.１４〜１８はショットを施さなかっ
た例で、表面に金属介在物が露出していない比較例であ
る。

【０１１６】本発明例のNo.５〜７および比較例の１５
〜１８は、Ｍ₂₃Ｃ₆型導電性金属析出物の影響を避ける
ために炭素含有量が少ない鋼を用いた。

【０１１７】表２でＭ₂₃Ｃ₆、Ｍ₂Ｂ型析出物の有無につ
いては、光学顕微鏡にて表面にマクロ的に均一分散して
いることが容易に目視確認できるものをもって析出あり
と表記した。同定については、透過電子顕微鏡の回折像
よりおこなった。

【０１１８】接触電気抵抗の測定は、０．３ｍｍ厚の上
記酸洗後の冷延鋼板と厚さ０．６ｍｍの市販のグラッシ
ーカーボン板（昭和電工製、商品名“ＳＧ３”）を用
い、評価用ステンレス試験片接触面積を１ｃｍ²とし、
４端子法にて測定した。評価用試験片表面は、評価直前
に、表面を洗浄後評価に供試した。酸洗処理をおこなわ
ない場合は、湿式６００番エメリー研磨面である。負荷
荷重は１１．２ｋｇ/ｃｍ²とした。負荷荷重により接触
電気抵抗は変化するが、１０ｋｇ/ｃｍ²以上でほぼ一定
値が得られるようになることを確認している。

【０１１９】表２より明らかなように、導電性粉末をシ
ョット加工によってステンレス鋼板表面にめり込ませて
残留させた場合、全て接触抵抗は８．４５mΩ・cm²以下
となった。一方、ショットを施さない比較例では、接触
電気抵抗が１０７．９mΩ・cm²以上と高かった。ここ
で、No.１４は鋼中に導電性金属介在物であるＭ₂₃Ｃ₆が
析出しているにもかかわらず接触抵抗が高い。これは、
No.１４では中心線平均粗さが０．０３μmと極めて平滑
であるために導電性介在物が表面から突出しておらず、
導電性介在物が“電気の通り道”として十分に機能しな
かったためと考えられる。ステンレス鋼表面粗さが中心
線平均粗さＲａで０．０６〜５μｍである必要がある。
ショット加工は、表面に導電性粉末をめり込ませて残
留させること、表面粗さを中心線平均粗さＲａで０．
０５〜５μｍに調整することの双方を満足させる極めて
有効な工業的手段のひとつであることが明かである。な
お、ショット加工によりめり込ませて残留させた導電性
粒子の「電気の通り道」としての機能は時間経過によら
ないと判断されるが、実際にショットを施した鋼板表面
の接触抵抗は、３００ｈｒ経過後もほぼ同じ接触抵抗値
を示すことが確認できた。

【０１２０】Ｍ₂₃Ｃ₆、Ｍ₂Ｂ型といった導電性金属析出
物が鋼中に析出している場合も、No.１〜４、８〜１
０、１２、１３に示すように良好な接触抵抗が得られ
た。両者の改善効果は、重畳の関係にあると判断してい
る。 （２）金属介在物を析出させて分散、露出させたステン
レス鋼の試験 電気伝導性微粉末を投射しないで、析出した金属介在物
のみによる効果を確認するため、炭素含有量が比較的高
くＭ₂₃Ｃ₆型炭化物が析出しているステンレス鋼、およ
び、硼素含有量が高くＭ₂Ｂ型硼化物が析出しているス
テンレス鋼を用いて、表３に示す種々の酸洗条件で酸洗
して金属介在物を分散、露出させた。また、比較例とし
て、炭素含有量が少なく、硼素含有量も低いか、含有し
ないステンレス鋼も同じ条件で酸洗した。これらの酸洗
した冷延鋼板の表面粗さと接触電気抵抗を上記と同じ方
法により測定した測定結果を表３に示す。

【０１２１】

【表３】

【０１２２】表３より明らかなように、Ｍ₂₃Ｃ₆、Ｍ₂Ｂ
型析出物を分散、露出させた本発明例の全てが接触電気
抵抗は１５．６mΩ・cm²以下と小さいが、比較例の析出
物が鋼板表面に分散、露出していない場合は、表面粗さ
が本発明で規定する範囲内であっても１０１．６mΩ・c
m²以上と高いことが明かである。分散析出の効果が顕著
である。Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物とＭ₂Ｂ型硼化物の改善効果
は、重畳の関係にあると判断している。

【０１２３】（３）金属介在物を分散、露出させ、かつ
表面粗さを変化させたステンレス鋼板の試験 表面粗さの接触電気抵抗におよぼす影響を確認するた
め、表４に示すように酸洗条件を種々変化させて酸洗し
て冷延鋼板の表面粗さを変化させた後、表面粗さと接触
電気抵抗の測定をおこなった。その結果を表４に示す。

【０１２４】図３および図４は、湿式６００番エメリー
紙研磨した鋼記号ｎ（表１）を、１０％硝酸−３％ふっ
酸中で５分間酸洗した後の表面粗さ状態を示す。図３は
二次元での測定結果で、図４は三次元測定結果である。
Ｒａ＝０．２１３３、０．２１４７μｍであった。これ
らの測定は、市販の粗さ計を用いた。

【０１２５】

【表４】

【０１２６】表４から明らかなように、たとえ、鋼中に
Ｍ₂₃Ｃ₆、Ｍ₂Ｂ型析出物がステンレス鋼板表面に分散、
露出していたとしても、表面粗さが本発明で規定する範
囲になっていなければ接触電気抵抗が４５．３mΩ・cm²
以上と高い。このことは、接触が面では起こらず、表面
が非常に平滑な面であってもいくつかの点での接触しか
起こっていないことを示す。言いかえるならば、表面が
非常に平滑である場合には、接触点数が少ないことか
ら、鋼板表面に露出している導電性金属介在物を介した
接触機会が十分に得られず、結果として接触抵抗値が高
くなると解釈できる。

【０１２７】図５は、鋼記号ｎ（表１中）のミクロ写真
（１０００倍）を示す。白い線で囲まれているのが分散
相のＭ₂Ｂ型硼化物である。断面をＳＥＭ観察したもの
であり、上方には、表面にＭ₂Ｂが“頭を出して”突
出、分散している状況が判別できる。

【０１２８】（４）金属介在物を分散、露出させたステ
ンレス鋼からなるセパレータを固体高分子型燃料電池に
組み込んだ試験 本発明のステンレス鋼を固体高分子型燃料電池にセパレ
ータとして装填した場合の性能評価のために、表５に示
す各鋼記号の最終焼鈍した冷延鋼板からコルゲート形状
のセパレータ板を作製した。

【０１２９】セパレータ板は、図１に示す形状で両面
（アノード極側、カソード極側）に機械加工により溝幅
２ｍｍ、溝深さ１ｍｍのガス流路を切削加工し、固体高
分子型単セル電池内部にセパレータとして装填した状態
で評価した。特性評価は、電池内に燃料ガスを流してか
ら１時間経過後に単セル電池の電圧を測定し、初期の電
圧と比較することにより電圧の低下率を調べて行った。
なお、低下率は、 １−（１時間経過後の電圧Ｖ／初期電圧ｖ） により求めた。

【０１３０】評価に用いた固体高分子型燃料単セル電池
は、米国Electrochem社製市販電池セルFC50を改造して
用いた。

【０１３１】アノード極側燃料用ガスとしては９９．９
９９９％水素ガスを用い、カソード極側ガスとしては空
気を用いた。電池本体は全体を７８±２℃に保温すると
共に、電池内部の湿度制御を、セル出側の排ガス水分濃
度測定をもとに入り側で調整した。電池内部の圧力は、
1気圧である。水素ガス、空気の電池への導入ガス圧は
０．０４〜０．２０ｂａｒで調整した。セル性能評価
は、単セル電圧で５００±２０ｍＡ/cm²−０．６２±
０．０４Ｖが確認できた状態より継時的に測定を行っ
た。

【０１３２】単セル性能測定用システムとしては、米国
スクリブナー社製８９０シリーズを基本とした燃料電池
計測システムを改造して用いた。電池運転状態により、
特性に変化があると予想されるが、同一条件での比較評
価である。その結果を表５に示す。

【０１３３】

【表５】

【０１３４】本発明で規定するステンレス鋼は、表５か
ら明らかなように、固体高分子型燃料電池セルに装填し
た状態においても、接触電気抵抗を小さく維持すること
ができた。

【０１３５】

【発明の効果】本発明の通電部品用ステンレス鋼は、接
触電気抵抗が低く腐食環境においても長時間の間接触電
気抵抗を低く維持することができ、特に固体高分子型燃
料電池のセパレータ用として好適であり、安価な固体高
分子型燃料電池の製造に貢献するところ大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の構造を示す図である。

【図２】金属介在物が露出したステンレス鋼の表面と他
の通電体面と接触させた状態を示す図である。

【図３】酸洗後のステンレス鋼板の二次元の表面粗さ状
態を示す図である。

【図４】酸洗後のステンレス鋼板の三次元の表面粗さ状
態を示す図である。

【図５】分散したＭ₂Ｂ型硼化物を示す図である。

【符号の説明】 １…燃料電池 ２…固体高分子電解質膜 ３…燃料電極膜 ４…酸化剤電極膜 ５ａ、５ｂ…セパレータ １０…ステンレス鋼 １１…カーボン板 １２…不働態被膜 １３…硼化物系金属介在物 １４…投射した金属介在物 １５…炭化物系金属介在物

フロントページの続き (72)発明者 土井 教史 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 EE08 HH03 HH05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステンレス鋼表面に、導電性を有するＭ₂₃
   Ｃ₆型、Ｍ₄Ｃ型、Ｍ₂Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物
   およびＭ₂Ｂ型硼化物系金属介在物のうちの１種以上が
   分散、露出しており、ステンレス鋼表面粗さが中心線平
   均粗さＲａで０．０６〜５μmであることを特徴とする
   固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステンレス鋼。
2. 【請求項２】ステンレス鋼表面に分散、露出している
   Ｍ₂₃Ｃ₆型、Ｍ₂Ｃ型、ＭＣ型炭化物系金属介在物および
   Ｍ₂Ｂ型硼化物系金属介在物中の金属元素（Ｍ）が、ク
   ロム、モリブデン、タングステンの１種以上を含んでい
   ることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料
   電池のセパレータ用ステンレス鋼。
3. 【請求項３】ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：０．１５
   ％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜
   １．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、
   Ｃｒ：１５〜３６％、Ａｌ：０．００１〜６％、Ｂ：０
   〜３．５％、Ｎ：０．０３５％以下、Ｎｉ：０〜７％、
   Ｍｏ：０〜７％、Ｃｕ：０〜１％、Ｔｉ：０〜２５×
   （Ｃ％＋Ｎ％）、Ｎｂ：０〜２５×（Ｃ％＋Ｎ％）を含
   有し、かつＣｒ、ＭｏおよびＢ含有量は下記式を満足し
   ており、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなるフェライ
   ト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１また
   は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータ
   用ステンレス鋼。 １７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ ただし、式中の元素記号は各元素の含有量（質量％）を
   示す。
4. 【請求項４】ステンレス鋼が、質量％で、Ｃ：０．００
   ５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．５％、Ｍｎ：０．
   ０１〜２．５％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％
   以下、Ｃｒ：１７〜３０％、Ｎｉ：７〜５０％、Ｂ：０
   〜３．５％、Ｎ：０〜０．４％、Ｃｕ：０〜２％、Ａ
   ｌ：０．００１〜６％、Ｍｏ：０〜７％を含有し、かつ
   Ｃｒ、ＭｏおよびＢ含有量は下記式を満足しており、残
   部Ｆｅおよび不可避不純物からなるオーステナイト系ス
   テンレス鋼であることを特徴とする請求項１または請求
   項２に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータ用ステ
   ンレス鋼。 １７％≦Ｃｒ＋３×Ｍｏ−２．５×Ｂ ただし、式中の各元素記号は含有量（質量％）を示す
5. 【請求項５】固体高分子電解質膜を中央にして燃料電極
   膜と酸化剤電極膜を重ねあわせた単位電池を複数個、単
   位電池間にセパレータを介在させて積層した積層体に、
   燃料ガスと酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる
   固体高分子型燃料電池であって、セパレータが請求項１
   から請求項４までのいずれかに記載のステンレス鋼から
   なることを特徴とする固体高分子型燃料電池。